實現綠色交通 BEV與FCEV是彼此競爭或互補?

作者 : Stefano Lovati,EEWeb

在共享交通工具的基礎上,未來的移動解決方案將越來越豐富;BEV和FCEV會是截長補短的友軍,而不是非此即彼的敵人。

電池電動車(Battery Electric Vehicles,BEV)與燃料電池電動車(Fuel-cell Electric Vehicles,FCEV)是兩種 「潔淨」能源車輛技術,都能夠減少溫室氣體的排放。本文將論述為何這兩種技術是互補而非對立的,並討論它們在交通領域逐步減碳的過程中是如何彼此協作。

道路交通逐步減碳和政府降低二氧化碳排放的法規要求,迫使汽車製造商提升對新能源車輛(即低排放甚至零排放)的研發和推廣力度,以減少對環境的負面影響。

在這種大環境下,BEV與FCEV的比較成了一個熱門話題,人們熱衷於論證兩種技術中哪一種更好。與所有電動車一樣,FCEV也使用電能為電動馬達提供動力,區別在於FCEV使用燃料電池發電,而不是直接從電池中取得電能,如圖1所示。由於電力是透過車載氫氣與空氣中的氧之間的化學反應而產生的,所以唯一的排放是水蒸氣。

 

圖1:氫燃料電池車輛。

(圖片來源:美國能源部)

 

對比BEV和FCEV,究竟哪種技術更潔淨、或是產生的污染排放最少?目前並無定論。要比較這兩種技術解決方案,首先必須評估整個能源生命週期(即從生產到報廢)中產生的排放到底有多少。從它們所使用的能源(電能和氫氣)來看,BEV和FCEV都是潔淨的,它們的優勢在於,電能和氫氣都可以從再生能源(例如太陽能或風能)中取得,而氫氣也可以在加氫站現場直接生產。

燃料電池原理

燃料電池單元主要由陽極、陰極和電解質組成;將一些基本電池單元(幾百個)連結在一起,以達到特定應用所需的電壓。儘管運作原理相同,但根據所使用的電解質類型不同,燃料電池的種類也花樣繁多。汽車產業最常用的燃料電池是聚合物電解質膜燃料電池(polymer electrolyte membrane fuel cell,PEMFC),如圖2所示。

圖2:PEMFC運作原理。

(圖片來源:Wikipedia

 

聚合物膜是酸性的,被輸送的離子是氫離子或質子。這種電池以純氫為燃料,空氣或純氧為氧化劑。PEMFC的工作溫度接近80°C,具有極高的效率和功率密度,因此非常適合車輛應用。更有意思的是,PEMFC的運作成本也較低,因為聚合物膜──實際上是一個去離子過濾器(de-ionizing filter)──並不昂貴,每3萬英哩更換一次即可。只要將PEMFC與可充電電池搭配,就可以設計出混合動力車。透過適當配置,車廠可以使之與電動馬達或汽油引擎車一樣運作。燃料電池類似於內燃機(ICE),ICE將儲存在燃料中的化學能轉化為旋轉機械能,後者直接使車輛移動,或透過交流發電機轉換為電能。燃料電池的轉換模式非常類似,透過化學過程發電,但過程中不會產生污染排放。在不久的將來,FCEV將會與BEV以互補的方式運作,促進氫燃料替代石油燃料。

FCEV與BEV的比較

以下我們從幾個關鍵因素來比較BEV與FCEV車輛:

  • 能量密度(單位質量能量)。氫氣擁有非常亮眼的40,000Wh/kg能量密度,最先進的鋰離子電池能量密度約為250Wh/kg。最高等級的電動車Tesla S使用鎳、鈷、鋁(NCA)電池,能夠提供248Wh/kg的能量密度。這意味著氫氣每千克可提供數百倍的能量,從而使車輛在不增加重量的情況下延長續航里程。
  • 加燃料和充電時間。FCEV可以在不到五分鐘的時間內輕鬆加滿;相較之下,BEV正常充電有時需要幾個小時,而超快速充電(如果有這個功能的話)則需近1小時。此外,FCEV單次加滿提供的行駛里程更長,是長途車輛的理想解決方案;但是FCEV的燃料不能像BEV那樣在家中添加。不過,世界上很多國家都打算提高加氫站的數量,在幾年之內覆蓋其全國範圍。
  • 運作週期。現在幾乎所有的電動車電池都提供至少8年或10萬英哩的保固,看哪一個先達成。車輛鋰離子電池的壽命完全取決於其充/放電循環次數以及熱管理系統和電池緩衝器(battery buffers)所提供的保護。電池緩衝器可以防止電池完全放電或過度充電,這兩種狀態都會對鋰離子電池造成損害。而燃料電池堆的預估壽命約為5,000小時,相當於15萬英哩的行駛里程。但短程行駛會為聚合物膜帶來嚴重壓力,因為它會反覆潮濕和乾燥;若連續運作,燃料電池組應可以無故障運作4萬小時。
  • 整體效率。美國能源部的研究顯示,額定功率25%的FCEV整體效率約為57%,計算出的理論效率約為60%。如圖3所示,美國能源部2020年的目標以星號表示,即65%的整體效率。儘管已經取得不小的進步,並且實際值和計算值之間的差距也減小了,但FCEV製造商仍需要不斷演進以實現效率目標。

 

圖3:燃料電池效率與額定功率之間的函數關係。

(圖片來源:美國能源部)

 

隨著車輛被設計的行駛里程不斷拉長,BEV重量迅速增加,效率卻在降低。可以說,BEV短程行駛效率很高,但不適用於長途行駛。圖4顯示了不同類型車輛的能效與設計里程之間的關係,在短程範圍內,BEV達到最高效率水準。但隨著里程的增加,內燃機車輛和FCEV的效率變得更高。而在長途行駛上,FCEV則可提供最高效率。

 

圖4:能效與設計里程之間的關係。

 

若能將BEV和FCEV的充電/加氣基礎設施妥善結合利用,我們就能享受這兩種技術的組合優勢。舉例來說,電動車充電站具備通宵充電的簡便性和成本效益,可與針對FCEV車輛長途行駛的加氫站相結合;兩種基礎設施共同佈署的組合策略可以最大程度提高能源效率,最佳化可再生能源的利用率,並減少二氧化碳排放。氫氣的優勢在於,加氫站可以使用再生能源直接在現場生產,無需連結更大的燃料網路或電網;或者也可以透過工業流程生產氫氣,然後將其運輸到加氫站。

結語

BEV提供較低的功耗以及高能效,但前提是其總重量不會太高(其重量取決於所搭載的電池數量與容量);因此,適合短程行駛的輕型BEV效率最高。以差不多的重量來說,FCEV車輛能儲存更多的能量,燃料電池的加氣也可以迅速完成;因此,FCEV非常適合長途行駛或要求最小停滯時間的應用(如卡車、運輸巴士或工業車輛)。

在共享交通工具的基礎上,未來的移動解決方案將越來越豐富;BEV和FCEV會是截長補短的友軍,而不是非此即彼的敵人。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年6月號,責編:Judith Cheng

(參考原文:BEVs vs. FCEVs: Competing or Complementary Technologies?,by Stefano Lovati ;EEWeb為EE Times出版集團ASPENCORE旗下網站)

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